一种用于太阳位置检测的类球体式光电传感器及其跟踪方法

1.本发明涉及太阳跟踪领域，具体涉及一种用于太阳位置检测的类球体式光电传感器，更具体涉及一种用于太阳位置检测的类球体式光电传感器及其跟踪方法。


背景技术：

2.光电跟踪根据光电传感器的光强检测信号来调整光伏组件的位置，光电传感器的结构设计会直接影响太阳跟踪系统的跟踪精度、跟踪算法和跟踪稳定性。现有的光电跟踪方案主要采用以下传感器实现：
3.四象限光电传感器：内部采用4块光电池按矩形排列，每块光电池受光照能独立输出电压值，通过外接简易光学系统，让光源投影到阵列上，比较每块光电池的电压就可得到光源角度。但跟踪视角范围较小、容易丢失目标，引起控制系统失效，甚至导致执行结构产生误动作；
4.隔板式光电传感器：利用隔板的阻挡作用，入射光线与隔板存在夹角时，其两边的光敏元件接收到的光强不同，以此来判断太阳位置。但易受到外部光源和其他散射光的影响，引起电机频繁转动，系统运行的稳定性较差，且跟踪精度不高；
5.光电位敏传感器：依据斜面的两个光敏电阻器接受光照强度不同，可以使聚光器等朝向太阳光照强度最大的位置，但其精度较低，不适用于碟式太阳能光伏发电装置。
6.因此针对上述问题，本发明提出一种用于太阳位置检测的类球体式光电传感器及其跟踪方法，来解决上述问题。


技术实现要素：

7.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，一种用于太阳位置检测的类球体式光电传感器，包括类球体外壳和若干个光敏元件，所述类球体外壳外部由若干个依次相邻的面构成，每个面的中心位置均嵌设安装有一个光敏元件，且类球体外壳的顶端平面安装有顶部光敏元件，靠类球体外壳的顶端平面的顶部光敏元件外围安装有光敏元件组。
8.优选的，所述光敏元件、顶部光敏元件以及光敏元件组均采用面积大小和电气特性完全相同的硅光电池、光敏电阻、光敏二极管或光敏三极管制成。
9.优选的，所述类球体外壳为类球体的多面体。
10.一种用于太阳位置检测的类球体式光电传感器的追踪方法，该方法基于粗跟踪与精跟踪两大模块实现，粗跟踪模块在太阳能板左上、左下、右上、右下、中心五个方位安装上上述的类球体式光电传感器a、d、b、c、e，用于确保精跟踪时光线垂直射向太阳能板主轴线，具体跟踪方法步骤如下：
11.s1：设定当阴天、夜间或者传感器完全没有朝向太阳光入射的方向时传感器输出的光电流阈值为k，五个传感器a、b、c、d、e输出的光电流ia、ib、ic、id、ie均小于阈值k时，说明当时是阴天、夜间或者传感器完全没有朝向太阳光入射的方向，此时根据plc设定方位，通过驱动方位角方向步进电机和高度角方向步进电机将传感器调整至当前天文历中太阳在
空中的方位，如果是夜间，则朝向东方等待日出；
12.s2：当五个传感器a、b、c、d、e中有一个或者一个以上输出的光电流大于剩余的位置的传感器的输出光电流，说明太阳光偏离太阳能板主轴线位置，即输出大电流的部分被太阳光直射，plc由此发出驱动方位角方向步进电机和高度角方向步进电机的指令，启动粗跟踪模式；
13.s3：首先粗调方位角，将传感器a、d输出的光电流之和(ia+id)与传感器b、c输出的光电流之和(ib+ic)比对，当ia+id》ib+ic时，则说明太阳位置在太阳能板主轴线的左侧，通过plc驱动方位角步进电机顺时针转动，直到ia+id＝ib+ic，太阳位置在太阳能板主轴线的右侧时，反之同理，完成粗跟踪模块的粗跟踪调节；
14.s4：粗跟踪完成后，太阳能板的主轴线已基本对准太阳，即传感器e此时已基本对准太阳，这时启动精跟踪模式，由plc控制传感器e进行精跟踪操作；
15.s5：采集传感器e中各硅光电池1、2、3、4
……
n输出的电流信号i1、i2、i3、i4……in
，将其转化为电压信号v1、v2、v3、v4……vn
；
16.s6：通过比较所有硅光电池输出的电压确定出输出电压最大的一块硅光电池，即对应此时太阳位置，利用matlab确定落在最大的一块硅光电池上的光斑坐标(ψ，θ)，进一步驱动方位角方向步进电机水平方向转至ψ，高度角方向步进电机转至θ；
17.s7：设定太阳光垂直入射太阳能板的光电流阈值范围为l
1-l2，当最顶端平面的顶部光敏元件输出的光电流最大时，且周围光敏元件组输出的光电流相等或在设定的太阳光垂直入射太阳能板的光电流阈值范围l
1-l2内，则认为太阳光垂直入射太阳能电池板，即完成追踪操作。
18.本发明相比现有技术具有以下优点：
19.1.本发明中的光电传感器类球状的结构能够捕捉到传感器高度角和方位角360
°
范围内的太阳光，克服了传统光电传感器视角范围小的缺点，确保传感器能全方位跟踪定位太阳；
20.2.采用粗—精两级跟踪模式，有效地减小跟踪过程中受外部环境影响所带来的误差；
21.3.传感器可采用光敏电阻或光电池作为光敏元器件，成本较低，具有较高的应用价值和使用前景；
22.4.传感器只需要比较不同平面硅光电池的输出电压确定出最大光照面，进而通过matlab计算并输出基于球坐标系下太阳的高度角和方位角，算法简单，控制策略简便。
附图说明
23.图1为本发明一种用于太阳位置检测的类球体式光电传感器及其跟踪方法的结构示意图；
24.图2为本发明一种用于太阳位置检测的类球体式光电传感器及其跟踪方法的类球体外壳的俯视图；
25.图3为本发明一种用于太阳位置检测的类球体式光电传感器及其跟踪方法的类球体外壳基于球体坐标系下最大光照面的坐标示意图；
26.图4为本发明一种用于太阳位置检测的类球体式光电传感器及其跟踪方法的
matlab下的最大光照面的坐标示意图；
27.图5为本发明一种用于太阳位置检测的类球体式光电传感器及其跟踪方法的粗跟踪模式下的传感器安装示意图。
具体实施方式
28.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
29.如图1-5所示，本实施例提供一种技术方案：一种用于太阳位置检测的类球体式光电传感器，包括类球体外壳1和若干个光敏元件2，类球体外壳1外部由若干个依次相邻的面构成，每个面的中心位置均嵌设安装有一个光敏元件2，且类球体外壳1的顶端平面安装有顶部光敏元件3，靠类球体外壳1的顶端平面的顶部光敏元件3外围安装有光敏元件组4。
30.光敏元件2、顶部光敏元件3以及光敏元件组4均采用面积大小和电气特性完全相同的硅光电池、光敏电阻、光敏二极管或光敏三极管制成。
31.光敏元件2均匀嵌在类球体外壳1外侧壁各表面中心位置，其不仅可用作电源，也可以作为光电传感器360
°
无死角检测太阳入射光线。
32.类球体外壳1为类球体的多面体。类球体外壳1为近似球体的多面体，其外侧壁各平面中心位置装嵌有光敏元件2，由于各平面间存在夹角，当太阳光照射在不同平面的硅光电池上，不同平面产生的电压有偏差，可据此计算出太阳相对于传感器的高度角和方位角。
33.一种用于太阳位置检测的类球体式光电传感器的追踪方法，该方法基于粗跟踪与精跟踪两大模块实现，粗跟踪模块在太阳能板左上、左下、右上、右下、中心五个方位安装上上述的类球体式光电传感器a、d、b、c、e，用于确保精跟踪时光线垂直射向太阳能板主轴线，具体跟踪方法步骤如下：
34.s1：设定当阴天、夜间或者传感器完全没有朝向太阳光入射的方向时传感器输出的光电流阈值为k，五个传感器a、b、c、d、e输出的光电流ia、ib、ic、id、ie均小于阈值k时，说明当时是阴天、夜间或者传感器完全没有朝向太阳光入射的方向，此时根据plc设定方位，通过驱动方位角方向步进电机和高度角方向步进电机将传感器调整至当前天文历中太阳在空中的方位，如果是夜间，则朝向东方等待日出；
35.s2：当五个传感器a、b、c、d、e中有一个或者一个以上输出的光电流大于剩余的位置的传感器的输出光电流，说明太阳光偏离太阳能板主轴线位置，即输出大电流的部分被太阳光直射，plc由此发出驱动方位角方向步进电机和高度角方向步进电机的指令，启动粗跟踪模式；
36.s3：首先粗调方位角，将传感器a、d输出的光电流之和(ia+id)与传感器b、c输出的光电流之和(ib+ic)比对，当ia+id》ib+ic时，则说明太阳位置在太阳能板主轴线的左侧，通过plc驱动方位角步进电机顺时针转动，直到ia+id＝ib+ic，太阳位置在太阳能板主轴线的右侧时，反之同理，完成粗跟踪模块的粗跟踪调节；
37.需要说明的是，精跟踪模块通过matlab建立球面坐标系，可直接输出最大光照面坐标。
38.s4：粗跟踪完成后，太阳能板的主轴线已基本对准太阳，即传感器e此时已基本对
准太阳，这时启动精跟踪模式，由plc控制传感器e进行精跟踪操作；
39.s5：采集传感器e中各硅光电池1、2、3、4
……
n输出的电流信号i1、i2、i3、i4……in
，将其转化为电压信号v1、v2、v3、v4……vn
；
40.s6：通过比较所有硅光电池输出的电压确定出输出电压最大的一块硅光电池，即对应此时太阳位置，利用matlab确定落在最大的一块硅光电池上的光斑坐标(ψ，θ)，进一步驱动方位角方向步进电机水平方向转至ψ，高度角方向步进电机转至θ；
41.s7：设定太阳光垂直入射太阳能板的光电流阈值范围位l
1-l2，当最顶端平面的顶部光敏元件3输出的光电流最大时，且周围光敏元件组4输出的光电流相等或在设定的太阳光垂直入射太阳能板的光电流阈值范围l
1-l2内，则认为太阳光垂直入射太阳能电池板，即完成追踪操作。
42.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种用于太阳位置检测的类球体式光电传感器，其特征在于，包括类球体外壳(1)和若干个光敏元件(2)，所述类球体外壳(1)外部由若干个依次相邻的面构成，每个面的中心位置均嵌设安装有一个光敏元件(2)，且类球体外壳(1)的顶端平面安装有顶部光敏元件(3)，靠类球体外壳(1)的顶端平面的顶部光敏元件(3)外围安装有光敏元件组(4)。2.根据权利要求1所述的一种用于太阳位置检测的类球体式光电传感器，其特征在于：所述光敏元件(2)、顶部光敏元件(3)以及光敏元件组(4)均采用面积大小和电气特性完全相同的硅光电池、光敏电阻、光敏二极管或光敏三极管制成。3.根据权利要求2所述的一种用于太阳位置检测的类球体式光电传感器，其特征在于：所述类球体外壳(1)为类球体的多面体。4.一种基于权利要求1-3任一项所述的用于太阳位置检测的类球体式光电传感器的追踪方法，其特征在于：该方法基于粗跟踪与精跟踪两大模块实现，粗跟踪模块在太阳能板左上、左下、右上、右下、中心五个方位安装上述的类球体式光电传感器a、d、b、c、e，用于确保精跟踪时光线垂直射向太阳能板主轴线，具体跟踪方法步骤如下：s1：设定当阴天、夜间或者传感器完全没有朝向太阳光入射的方向时传感器输出的光电流阈值为k，五个传感器a、b、c、d、e输出的光电流i
a
、i
b
、i
c
、i
d
、i
e
均小于阈值k时，说明当时是阴天、夜间或者传感器完全没有朝向太阳光入射的方向，此时根据plc设定方位，通过驱动方位角方向步进电机和高度角方向步进电机将传感器调整至当前天文历中太阳在空中的方位，如果是夜间，则朝向东方等待日出；s2：当五个传感器a、b、c、d、e中有一个或者一个以上输出的光电流大于剩余的位置的传感器的输出光电流，说明太阳光偏离太阳能板主轴线位置，即输出大电流的部分被太阳光直射，plc由此发出驱动方位角方向步进电机和高度角方向步进电机的指令，启动粗跟踪模式；s3：首先粗调方位角，将传感器a、d输出的光电流之和(i
a
+i
d
)与传感器b、c输出的光电流之和(i
b
+i
c
)比对，当i
a
+i
d
>i
b
+i
c
时，则说明太阳位置在太阳能板主轴线的左侧，通过plc驱动方位角步进电机顺时针转动，直到i
a
+i
d
＝i
b
+i
c
，太阳位置在太阳能板主轴线的右侧时，反之同理，完成粗跟踪模块的粗跟踪调节；s4：粗跟踪完成后，太阳能板的主轴线已基本对准太阳，即传感器e此时已基本对准太阳，这时启动精跟踪模式，由plc控制传感器e进行精跟踪操作；s5：采集传感器e中各硅光电池1、2、3、4
……
n输出的电流信号i1、i2、i3、i4……
i
n
，将其转化为电压信号v1、v2、v3、v4……vn
；s6：通过比较所有硅光电池输出的电压确定出输出电压最大的一块硅光电池，即对应此时太阳位置，利用matlab确定落在最大的一块硅光电池上的光斑坐标(ψ，θ)，进一步驱动方位角方向步进电机水平方向转至ψ，高度角方向步进电机转至θ；s7：设定太阳光垂直入射太阳能板的光电流阈值范围为l
1-l2，当最顶端平面的顶部光敏元件(3)输出的光电流最大时，且周围光敏元件组(4)输出的光电流相等或在设定的太阳光垂直入射太阳能板的光电流阈值范围l
1-l2内，则认为太阳光垂直入射太阳能电池板，即完成追踪操作。

技术总结
本发明公开了一种用于太阳位置检测的类球体式光电传感器，包括类球体外壳和若干个光敏元件，所述类球体外壳外部由若干个依次相邻的面构成，每个面的中心位置均嵌设安装有一个光敏元件，且类球体外壳的顶端平面安装有顶部光敏元件，靠类球体外壳的顶端平面的顶部光敏元件外围安装有光敏元件组，所述光敏元件、顶部光敏元件以及光敏元件组均采用面积大小和电气特性完全相同的硅光电池、光敏电阻、光敏二极管或光敏三极管；本发明结合传输系统、计算机控制技术，实现对太阳位置的精确计算与跟踪，具有跟踪算法简单、跟踪范围广、跟踪精度高等优点，可广泛应用于光电跟踪领域。可广泛应用于光电跟踪领域。


技术研发人员：徐鹏展 邓乐天 方柯雄 常轲 崔竣博 宋怀波
受保护的技术使用者：西北农林科技大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/8/21